UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
EVALUACIÓN DEL COMPORTA.MIENTO ESTRUCTURAL DE
PAVIMENTO FLEXIBLE A TRAVÉS DEL TIEMPO, UTILIZANDO
EL DEFLECTÓMETRO DE IMPACTO (HWD).
INFORME DE SUFICIENCIA
Para optar el Titulo Profesion�l de:
INGENIERO CIVIL
MICHEL JAMES MARIN V ASQUEZ
Lima- Perú
o
ONAL DE INGENIERfA NIER{A CIVIL {NO/CEÍNDICE
RESUMEN ... 3
LISTA DE CUADROS ... 4
LISTA DE SÍMBOLOS Y SIGLAS . ... 7
INTRODUCCIÓN ... 7
CAPÍTULO I ALCANCES Y OBJETIVOS ... 9
1.1. OBJETIVO Y ALCANCE
...
9
1.2. ANTECEDENTE ... 1 O
1.3. ESTRUCTURA DEL PLAN DE SUFICIENCIA
... 11
CAPÍTULO II DEFLECTÓMETRO DE IMPACTO . ... 12
2.1. DESCRIPCIÓN DEL DEFLECTÓMETRO (HWD)
... 12
2.1.1 Componentes del Detlectómetro de Impacto (HWD)
...
14
2.1.2 Configuración del Equipo
...
-...
18
2.2. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA DETERMINACIÓN DE
DEFLEXIONES ... 20
2.2.1. Carga ... 20
2.2.2. Temperatura ... 21
2.2.3.Condición del Pavimento ... 22
2.3. PROCEDIMIENTO PARA DETERMINAR DEFLEXIONES EN
CAMPO ... 23
2.4. CORRECCIÓN DE LAS DEFLEXIONES TOMADAS EN EL
ENSAYO CON EL DEFLECTÓMETRO DE IMPACTO
. ... 24
CAPÍTULO III TEORÍA MECANÍSTICO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES ... 26
3.1. ANTECEDENTES . ... 26
3.2. TEORÍA DE MÉTODO MECANÍSTICO EN PAVIMENTO
FLEXIBLE . ... 27
3.2.1. Método de Boussinesq . ... 27
3.2.2. Método de Espesores Equivalentes
...
31
Evaluación del Comportamiento Estructural de Pavimento Flexible a través del tiempo, utilizando Oeflectómetro de Impacto (HWD).
NAL DE INGENIERIA
GENIERfA CIVIL INDICE
CAPÍTULO IV RETROCÁLCULO EN PAVIMENTOS FLEXIBLES . ... 36
4.1. ANTECEDENTE
...
36
4.2. TEORÍA DE RETROCÁLCULO APLICADO A PAVIMENTOS
...
37
4.3. MÉTODO DE AJUSTE AL CUENCO DE DEFLEXIONES
(RETROCÁLCULO)
...
39
4.4. SOFTWARE APLICADO AL RETOCALCULO (Elmod 6)
...
40
CAPÍTULO V APLICACIÓN PRÁCTICA (PROYECTO BUENOS
AIRES -
CANCHAQUE) . ... 45
5.1. INTRODUCCIÓN ... 45
5.2. RESULTADOS DE LA EVALUACIÓN PAVIMENTOS DE
ASFALTO ... 46
5 .2 .1
.
Deflexión Máxima Normalizada. (D0n) ...
46
5.2.2.Módulo Resi�iente
de
la plataforma de fundación (Mr.)
...
48
5.2.3. Número Estructural. ... 50
5.2.4.Método de Sectorización por Diferencias Acumuladas (método
AASHTO)
...
�
...
53
5.3. EVALUACIÓN DEL COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL EN
EL TIEMPO ... 56
5.3.1. Valores Característicos de los tramos ... 56
5.3.2.Gráficos de comparación de Parámetros Estructurales en el
tiempo ... 60
5.3.3.Coeficiente de Variabilidad del Comportamiento Estructural.
...
63
CAPÍTULO VI CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 66
6.1. CONCLUSIONES ... 66
6.2. RECOMENDACIONES ... 68
BIBLIOGRÁFICA ... 69
ANEXOS ... 70
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA
FACUL TAO DE INGENIERIA CIVIL
RESUMEN
RESUMEN
Para poder realizar la Evaluación del Comportamiento Estructural en Pavimento
Flexible a través del tiempo, se va utilizar un Deflectómetro de impacto (HWD), el
ensayo con·siste en aplicar una carga bajo condiciones dinámicas por impacto,
cuyos resultados son registradas por los geófonos y guardados en una laptop.
Estos geófonos registran deflexiones a diferentes distancias que se producen
cuando se aplica una carga por impacto en el pavimento.
Se define retrocálculo como el proceso matemático iterativo mediante el cual las
medidas de las deflexiones tomadas en campo por el equipo Deflectómetro
(HWD) son transformadas a Módulos Resiliente (Mr.) y Módulo Equivalente
(Ep).
Actualmente, se tienen varios procedimientos para realizar el retrocálculo en
pavimentos flexibles, se usara el método de ajuste al cuenco de deflexiones y
aplicaremos el software ELMOD6.
En el ELMOD6 con datos como deflexiones, temperatura y espesores del
pavimento y por medio del retrocálculo se hallan el Módulo Resiliente (Mr.),
Módulo Equivalente (Ep) y Número Estructural Efectivo (Snef) del pavimento.
La carretera Empalme Ruta 1 B - Buenos Aires - Canchaque, tiene una longitud
de 76.940 km. Y políticamente se desarrolla en los distritos de Matanza, Buenos
Aires y Salitral de la provincia de Morropón y los Distritos de San Miguel de El
Faique y Canchaque de Provincia de Huancabamba, dentro del Departamento y
Región de Piura.
Para este informe de suficiencia, se ha recolectando del datos de deflexiones
de los años 2012, 2013, 2014 y 2015; mediante un proceso de retrocálculo
hallar los parámetro estructurales antes mencionados. Y con estos datos se
realiza gráficos y cuadros Comparativos del Comportamiento Estructural que ha
sufrido esta carretera a través del tiempo.
NACIONAL DE INGENIERIA TAO DE INGENIER{A CIVIL
LISTA DE CUADROS
LISTA DE CUADROS
Cuadro 1: Ventajas y Desventajas del equipo ...
13
Cuadro 2: Se representan los fundamentos de la Metodología del Retrocálculo37
Cuadro 3: Estructura de Pavimento Existente
. ...
46
Cuadro 4: Sectores homogéneos ... 55
Cuadro 5: Valores Característicos DOmax.
-
F2
...
57
Cuadro 6: Valores Característicos DOmax. -
F3
...
57
Cuadro 7: Valores Característicos Mr. - F2 ... 58
Cuadro 8: Valores Característicos Mr. - F3 ... 58
Cuadro 9: Valores Característicos SN.
-
F3
...
59
Cuadro 10: Valores Característicos 2014 F3 ...
59
Cuadro 11: Valores de Coeficiente de Variación del DOmax dela faja 2
. ...
63
Cuadro 12: Valores de Coeficiente de Variación del DOmax dela faja 3
. ...
63
Cuadro 13: Valores de Coeficiente de Variación del Mr. Dela faja 2 ...
64
Cuadro 14: Valores de Coeficiente de Variación del Mr. Dela faja 3
...
64
Cuadro 15: Valores de Coeficiente de Variación del SN. De la faja 2
. ...
65
Cuadro 16: Valores de Coeficiente de Variación del Mr. De la faja 3
...
65
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACUL TAO DE INGENIERfA CIVIL
LISTA FIGURAS
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Esquema del Deflectómetro de Impacto
. ...
9
Figura 2. Esquema del funcionamiento de Deflectómetro de Impacto
. ...
12
Figura 3. Deflectómetro de Impacto dynatest (HWD)
... 13
Figura 4. CP 15 del Deflectómetro de Impacto dynatest (HWD)
...
14
Figura 5. Dispositivo Generador de Carga (HWD)
...
15
Figura 6. Placa de Carga (HWD)
...
15
Figura 7. Geófonos (HWD) ... 16
Figura 8. Buffer ... 16
Figura 9. Carga vs Tiempo ... 16
Figura 10. Ordenador Lenovo ... 17
Figura 11. Termómetro ... 17
Figura 12. Motor ... 18
Figura 13. Batería
..
�
...
18
Figura 14. Configuración de los geófonos y plato de carga
...
19
Figura 15. Secuencia de Caída ... 19
Figura 16. Respuesta del Pavimento (Tensión, Deformación y Deflexión)
... 26
Figura 17. Desempeño del Pavimento (Grietas, Ahuellamiento y Rugosidad)
. .. 26
Figura 18. Las ecuaciones de Boussinesq utilizando ecuaciones polares
. ...
27
Figura 19. Deflexión vs Distancia desde la fuerza central
...
29
Figura 20. La transformación de Odemark de un sistema de capas
. ...
33
Figura 21. Esquema del Bulbo de Presiones y Cuenco de Deflexiones
...
38
Figura 22. Característica del Cuenco de deflexiones
. ...
38
Figura 23. Diagrama de Flujo para el Retrocálculo de módulos
. ...
39
Figura 24. Comparación del cuenco de deflexión medido y teórico
. ...
40
Figura 25. Plano de Ubicación Referencial del Contrato Evaluado
...
45
Figura 26. Nombre de Calzada y Progresiva de la Carretera
. ...
46
Figura 27. Deflexión Máxima Nonnalizada 2012
...
47
Figura 28. Deflexión Máxima nonnalizada 2013
. ...
47
Figura 29. Deflexión Máxima Nonnalizada 2014
...
48
Figura 30. Deflexión Máxima Nonnalizada 2015
...
48
Figura 31. Módulos Resiliente 2012 . ... 49
Figura 32. Módulos Resiliente 2013 . ... 49
Figura 33. Módulos Resiliente 2014 . ... 50
Evaluadón del Comportamiento Estructural de Pavimento Flexible a través del tiempo, utilizando Deffectómetro de Impacto (HWDJ.
5
IONAL DE INGENIERIA
E GEN/ERÍA CIVIL LISTA DE FIGURAS
Figura 34. Módulos Resiliente 2015
. ... 50
Figura 35. Número Estructural 2012
...
51
Figura 36. Número Estructural 2013
...
51
Figura 37. Número Estructural 2014
...
52
Figura 38. Número Estructural 2015
... 52
Figura 39. Gráficos de Deflexiones Acumuladas de año 2012
. ...
53
Figura 40. Gráficos de Deflexiones Acumuladas de año 2013
. ...
54
Figura 41. Gráficos de Deflexiones Acumuladas de año 2014
. ...
54
Figura 42. Gráficos de Deflexiones Acumuladas de año 2015
. ...
55
Figura 43. DO Característico (F2) 2012, 2013, 2014 y 2015
...
60
Figura 44. Mr. Característico (F2) 2012, 2013,2014 y 2015
...
60
Figura 45. SN. Característico (F2) 2012, 2013, 2014 y 2015
...
61
Figura 46. DO. Característico (F3) 2012, 2013, 2014 y 2015
. ...
61
Figura 47. Mr. Característico (F3) 2012, 2013, 2014 y 2015
. ... 62
Figura 48. SN. Característica (F3) 2012, 2013, 2014 y 2015
...
62
Figura 49. Gráfico de Deflexiones (1 er intento)
...
79
Figura 50. Gráfico de Deflexiones (2do. intento)
...
79
Figura 51. Gráfico de Deflexiones (3er. intento)
...
80
Figura 52. Gráfico de Deflexiones (3er. intento)
...
81
Evaluación del Comportamiento Estructural de Pavimento Flexible a través del tiempo, utilizando Denectómetro de Impacto (HWD). 6
DE INGENIER[A
G
IERIA CIVIL LISTA DE SfMBOLOS YSIGLAS
LISTA DE SÍMBOLOS Y SIGLAS.
AASHTO
ASTM
HWD
ELMOD6
Mr.
Ep
Snef
NDT
:
American Association of State Highway and Transportation
Official.
: American Standards for Testing Materials.
:
Heavy Weight Deflectometer
:
Evaluation of Layer Moduli and Overlay Design
:
Módulo Resiliente
:
Módulo Equivalente
:
Número Estructural Efectivo
:
Non Destructive test (no destructivo)
IONAL DE INGENIERIA ENIERIA CIVIL
INTRODUCCIÓN
INTRODUCCIÓN
En el presente Informe de Suficiencia va realizar una evaluación del
Comportamiento Estructural de pavimento Flexibles a través del tiempo, para
esto se realizara una comparación de Parámetros Estructurales como Deflexión
Máxima
Normalizada(D0max.),
Módulo
Resiliente(Mr.)
y
Número
Estructural(SN). Mediante Métodos Estadísticos como Promedio, desviación
estándar y Coeficiente de Variabilidad.
También se describirá la teoría mecánica en pavimentos flexibles, el cual nos
mostrara los diferentes métodos de cálculo de los Módulos elásticos en
pavimentos, esto nos ayudara a entender la metodología del Retrocálculo. El
cual es utilizado por el software elmod 6 para hallar los módulos elásticos de
pavimento equivalente y Modulo elástico del terreno de fundación.
Por otro lado se Evaluara el Comportamiento estructural a través del tiempo en
una carretera real, Se tienen datos de Deflexiones de los años 2012, 2013, 2014
y 2015, luego se hallara por retrocálculo valores Estructurales del pavimento y
de estos se determinara valores característicos de los parámetro estructurales
en los tramos homogéneos, dichos tramos homogéneos se determinaran por el
método de diferencias acumuladas propuesta por AASHTO. Se realizara una
comparación de parámetros estructurales característicos año a año, mediante
gráficas, valores y análisis estadísticos, tanto de deflexiones, Modulo de
pavimento equivalente y Numero Estructura.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE /NGEN/ERfA CIVIL
CAPÍTULO I ALCANCES Y OBJETIVOS.
1.1. OBJETIVO Y ALCANCE
CAP ITULO/ ALCANCES Y OBJETIVOS
El tema del informe de Suficiencia "Evaluación del Comportamiento
Estructural de Pavimento Flexible a través del tiempo, utilizando el
Deflectómetro de Impacto (HWD).", Caso Practico Carretera Empalme Ruta
1 B - Buenos Aires - Canchaque; tiene como objetivo principal determinar
el Comportamiento Estructural de pavimento a través del tiempo en una
carretera real, para esto se va a utilizar en el análisis del retrocálculo y
estadística(Promedio, desviación Estándar, Coeficiente de variabilidad).
Para poder determinar el comportamiento se van a comparar datos de
deflexiones, Modulo Resiliente retrocalculado y Número Estructural año a
año, esto se mostrara en tablas y gráficos, los datos en cual se va a
verificar este comportamiento son de los años desde 2012 hasta el 2015.
Para el cálculo de deflexiones se utilizara un Deflectómetro de impacto
(HWD) que cumple la Norma ASTM y se va a utilizar la metodología del
ajuste al cuenco de deflexiones, donde se aplicara la teoría del retrocálculo
que es una herramienta útil para obtener parámetros geomecánicos de la
estructura del pavimento y de terreno de fundación.
El caso real donde se aplicara esta la comparación año a año es la
Carretera Empalme Ruta 1 B - Buenos Aires - Canchaque, carretera de 78
km, en donde se observa como varia el parámetro estructural (Módulos
Elásticos y Numero Estructural) de la carretera.
Figura 1. Esquema del Deflectómetro de Impacto.
Placa
de Carga
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FUENTE: Internet.
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Evaluación del _Comportamiento Estructural de Pavimento Flexible a través del tiempo, utilizando Deflectómetro de Impacto (HWD). 9
NAL DE INGENIER{A INGENIER{A CIVIL
1.2. ANTECEDENTE
CAP{TULOI ALCANCES Y OBJETIVOS
La medición de las deflexiones se utiliza ampliamente para conocer la
capacidad Estructural de los pavimentos en campo, y dentro de la tecnología
de pavimentos, particularmente en la evaluación estructural de los mismos
existen diversas metodologías y equipos para tales propósitos.
La literatura especializada en pavimentos proporciona información acerca de
la medición de deflexiones en pavimentos localizadas directamente en el
punto de aplicación de la carga o alejadas de él, a partir de una carga estática
conocida, de una vibratoria o de una por impulso. Las deflexiones se miden
con transductores que determinan el movimiento vertical de la superficie de
un pavimento ante un impacto. Actualmente, existen diversos procedimientos
para la medición de deflexiones en pavimentos de flexibles (concreto
asfáltico), en concreto hidráulico, e incluso en una combinación de ellos.
Los ensayos realizados mediante esta metodología, son por su naturaleza
denominada no destructivo NDT (Non Destructive Test).
El HWD (Heavy Weight Deflectometer) o Deflectómetro de impacto es un
equipo que realiza ensayos no destructivos en pavimentos, a través de este
ensayo se obtiene los valores de deflexiones a diferentes distancias del
punto de aplicación de la carga, y mediante un retrocálculo aplicando la
metodología ajuste al cuenco de deflexiones obtenemos Módulos de
Resiliente (Mr.) y Módulos equivalente(Ep), con estos datos obtenidos realizar
un cuadro comparativo año a año como ha ido evolucionando el deterioro del
pavimento.
L DE INGENIER{A ER{A CIVIL
1.3. ESTRUCTURA DEL PLAN DE SUFICIENCIA.
CAPITULO I ALCANCES Y OBJETIVOS
Para la elaboración del Informe de suficiencia, se ha utilizado Deflectómetro
de Impacto, el cual recolecta evaluaciones de deflexiones, se tiene data de
los años 2012, 2013,2014 y 2015.
Mediante retrocálculo se hallan Módulos Elásticos de las capas del
pavimento y el terreno de fundación, la metodología utilizada Para el
retrocálculo es el ajuste al cuenco de deflexiones, el cual es sustentada por
la teoría mecánica la cual utiliza el método de Boussinesq y método de
Espesores equivalente.
Se ha utilizado el software Elmod6 para realizar el retrocálculo de manera
rápida y ordenada.
Luego se ha procedido a determinar tramos homogéneos, esto mediante el
método de Diferencias acumuladas propuesta por AASHTO, y de forma
gráfica se determinó estos tramos.
Posteriormente se Procedió a determinar los parámetros Estructurales
característicos de los tramos homogéneos determinados con una
confiabilidad del 90% como muestra el manual del MTC. Esto se realizó para
los años en mención (2012, 2013,2014 y 2015)
Luego se realizó una comparación gráfica y numérica de todo estos años.
Mediante métodos estadísticos, como Promedio, desviación Estándar y
Coeficiente de variabilidad. Observando estos gráficos y estadística hemos
realizando las recomendaciones y conclusiones.
DE INGEN/ERIA
D GENIERIA CIVIL DEFLECTÓMETRO DE IMPACTO CAPITULO//
CAPÍTULO II DEFLECTÓMETRO DE IMPACTO.
2.1. DESCRIPCIÓN DEL DEFLECTÓMETRO (HWD).
El Deflectómetro de impacto modelo Dynatest 8082-127 HWD (Ver Figura
3), es un equipo que aplica una carga de impacto a la superficie del
pavimento, determinando las deflexiones verticales (cuenco de deflexiones)
producidas en él. Se trata de un ensayo no destructivo, que simula el
comportamiento del pavimento ante el paso de los vehículos pesados a una
velocidad 50km/h a 60Km/h.
Figura 2. Esquema del funcionamiento de Deflectómetro de Impacto.
e
FUENTE: Shahin, 1994.
Puede ser utilizado en pavimentos de asfalto, concreto o una composición
de ambos, o bien, sobre cualquier capa de un pavimento en construcción. A
través del análisis de este cuenco se obtiene información de la rigidez de la
estructura de pavimentos y su suelo de fundación, siendo ella muy
importante para definir la condición de la estructura a lo largo de una
carretera. Lo anterior es fundamental para evaluar actividades relacionadas
con la rehabilitación, mantenimiento y/o control de calidad.
DE INGENIERÍA
G
NIERÍA CIVIL DEFLECTÓMETRO DE IMPACTO CAPÍTULO 11Figura 3. Deflectómetro de Impacto dynatest (HWD)
FUENTE: Elaboración Propia.
Cuadro 1: Ventajas y Desventajas del equipo
Ventajas
• Es un ensayo no destructivo.
• El efecto de la aplicación de la
carga se asemeja al efecto
del vehículo en movimiento.
• Puede ser operado por una
sola persona.
• Puede evaluar desde una
carretera hasta la pista de
aterrizaje de un aeropuerto.
• Toma gran cantidad de datos
en forma rápida y precisa(200
a 300 puntos/ día/carril/1 00m)
FUENTE: Web de Dynastest.
Desventajas
• Alto costo inicial.
• Requiere de capacitaciones
en la operación.
• Alto costo de reparación.
• Requiere de un software para
el retrocálculo.
• Las piezas solo son vendidas
por
el
fabricantes(No
comercial)
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA
FACUL TAO DE INGENIERfA CIVIL DEFLECTÓMETRO DE IMPACTO CAPITULO//
2.1.1 Componentes del Deflectómetro de Impacto (HWD).
El equipo consta de un vehículo de arrastre, donde está instalado el
sistema de control y el remolque, donde van instalados los sistemas de
aplicación de carga
y
medida de deflexiones, cubierto por una carcasa
metálica que le protege del agua, aceite, polvo, etc. Esto según la los
estándares de la Norma ASTM 04694 - 09. (Se adjunta en el anexo 09).
El sistema de medida y el sistema hidráulico están controlados por un PC
portátil, instalado en el vehículo de arrastre, desde donde el operador
organiza la ejecución y la recogida de la información.
a) Sistema de instrumentación CP15
El CP 15 es utilizado para poder controlar el Deflectómetro de Impacto,
desde aquí se puede manipular manualmente desde el mismo equipo.
Durante su (?peración debe soportar temperaturas de entre -10 y 50 ºC;
tolerar humedad relativamente alta, lluvia o niebla;
y
otras condiciones
adversas tales como polvo, golpes, o vibraciones que se pueden
presentar normalmente en ca_mpo
.
Figura 4. CP 15 del Deflectómetro de Impacto dynatest (HWD)
FUENTE: Elaboración Propia.
b) Dispositivo Generador de Impacto.
El dispositivo generador de impacto debe ser del tipo de masa en caída
libre con un sistema de guía. El dispositivo generador de impacto tiene
que ser capaz de levantar una o varias masas predeterminadas,
y
soltarlas en caída libre. La onda generada por el impacto de la masa,
y
.
transmitida al pavimento, deberá reproducirse de acuerdo con los
Evaluación del Comportamiento Estrudural de Pavimento Flexible a través del tiempo, utilizando Deffectómetro de Impacto (HWD).
DE INGENIERIA
E GENIERIA CIVIL
DEFLECTÓMETRO DE IMPACTO
CAPITULO//
requerimientos. Es importante que el sistema de guía presente una
fricción despreciable y diseñada de tal manera que las masas caigan
perpendiculares a la superficie del pavimento.
Figura 5. Dispositivo Generador de Carga (HWD)
FUENTE: Elaboración Propia.
c) Placa de Carga
La placa de carga debe ser capaz de distribuir uniformemente la carga
sobre la superficie del pavimento. Los diámetros más comunes de las
placas son de 300 y 450 mm de diámetro para realizar mediciones
sobre autopistas y aeropistas, respectivamente. La placa será capaz de
permitir mediciones de deflexión en los pavimentos, al centro de la
placa.
Figura 6. Placa de Carga (HWD)
FUENTE: Elaboración Propia.
Evaluación del Comportamiento Estructural de Pavimento Flexible a través del tiempo, utilizando Deflectómetro de Impacto (HWD).
15
DE INGENIERIA
NG RIA CIVIL
d) Geófonos
CAPITULO// DEFLECTÓMETRO DE IMPACTO
Debe ser capaz de medir el desplazamiento vertical máximo,
y
estar
montado de tal manera que minimice la rotación angular con respecto a
su plano de medición en el movimiento máximo esperado. El número
y
espaciamiento de los sensores es opcional,
y
dependerá de los
propósitos de la prueba y de las características de cada capa del
pavimento. El espaciamiento adecuado entre sensores es de 300 mm.
Figura 7. Geófonos (HWD)
FUENTE: Elaboración Propia.
e) Buffer
Debe ser capaz de trasmitir la carga de tal forma que simule el paso de
un vehículo. La onda debe tener aproximadamente la forma haversine y
aplicarse con una amplitud de pico a pico de 50 kN. La duración del
impulso de fuerza habrá de permanecer entre 20 y 60 ms, o un tiempo
de incremento de la carga de O a 30 ms.
Figura 8. Buffer
Figura 9. Carga vs Tiempo
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FUENTE: Elaboración Propia.
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DE INGENIERIA ERÍA CIVIL
f) Ordenador Lenovo(laptop)
CAPÍTULO 11 DEFLECTÓMETRO DE IMPACTO
Toda la información aportada por el sistema, es registrada y
almacenada por un ordenador personal Lenovo 80286 de 12 Mhz que
guardada en archivo MDB, que a su vez comanda un "Procesador
Dynatest 8000" para controlar la realización de las siguientes tareas:
- Control operativo del equipo de medida.
- Escaneo y acondicionamiento de las nueve señales emitidas por los
sensores (Geófonos)
Figura 10. Ordenador Lenovo
FUENTE: Elaboración Propia.
g) Termómetros.
El equipo esta implementado con 2 termómetro uno para medir la
temperatura ambiente y el otra para medir la temperatura de superficie.
Adicionalmente en campo debemos medir la temperatura de la carpeta
asfáltica.
Figura 11. Termómetro
FUENTE: Elaboración Propia.
Evaluación del Co mportamiento Estructural de Pavimento Flexible a través del tiempo, utilizando Delfectómetro de Impacto (HWD).
DE INGENIERIA GE ERIA CIVIL
h) Motor y batería.
CAPITULO//
DEFLECTÓMETRO DE IMPACTO
Cuenta con un motor, él sirve para cargar la batería. Esta batería es
utilizada para que pueda funcionar el sistema hidráulico y de esta forma
pueda levantar la masa y luego soltar. Así mediante este golpe generar
el cuenco de deflexiones.
Figura 12. Motor
Figura 13. Batería
FUENTE: Elaboración Propia.
2.1.2 Configuración del Equipo.
El equipo se va a configurar según la norma ASTM 04694 y04695 y la
metodología ASHHTO.
a) Configuración de geófonos y plato de carga.
Los geófonos y plato de carga están distribuidos de la siguiente manera.
• El plato que se utiliza para este ensayo es de 30cm
•
La distribución de los geófonos son de la siguiente manera
:
O, 20,
-20, 30, -30, 45, 60, 90 y 120 cm,(01 ,D2,D3,D4,D5,D6,D7,D8,D9
respectivamente) medidas desde el centro de plato de carga en la
dirección y sentido del avance del tránsito.
NACIONAL DE INGENIERÍA T DE INGENIERÍA CIVIL
o.
[l,CAPÍTULO 11 DEFLECTÓMETRO DE IMPACTO
Figura 14.
Configuración de
los geófonos y
plato de carga.
FUENTE: Elaboración Propia y Software Elmod 6.
b) Secuencia de caída.
Las alturas de caída fueron configuradas de tal forma que nos dé
como resultado 30 KN, 40 KN y 50 KN.
Esto va a depender para qué tipo de estructuras se va ensayar.
Figura 15. Secuencia de Caída.
e •ne di.! t,:¿i j�
...
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...
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FUENTE: diapositiva Simproma Argentina S.A.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA
FACUL TAO DE INGENIERIA CIVIL
DEFLECTÓMETRO DE IMPACTO
CAPITULO//
2.2. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA DETERMINACIÓN DE
DE FLEXIONES
Los factores que afectan en mayor medida a las deflexiones incluyen la
carga, el clima y las condiciones del pavimento. Estos hechos deben
considerarse cuidadosamente cuando se realizan ensayos no destructivos.
2.2.1. Carga
La magnitud y duración de la carga influye considerablemente en las
deflexiones de los pavimentos. Es recomendable que el equipo que se
utiliza en pruebas no destructivas sea capaz de aplicar una carga al
pavimento, similar a la carga actual de diseño (p ej., 40 kN).
Desafortunadamente, no todos los equipos comerciales que efectúan
ensayos no destructivos pueden simular la carga de diseño, algunos lo
hacen con la magnitud de la carga, pero no con su duración o
frecuencia. Generalmente, se acepta al Deflectómetro de impacto
HWD (Heavy
Weight Deflectometer) como el mejor equipo hasta
ahora, para simular la magnitud y duración de las cargas actuales que
circulan por las carreteras.
Las propiedades no lineales o su sensibilidad al nivel de esfuerzos, de
la mayoría de los materiales que conforman las capas de los
pavimentos hacen que las deflexiones medidas sean proporcionales a
las cargas aplicadas. Los resultados de prueba se tienen que
extrapolar para cargas excesivas. Debido a que las extrapolaciones
frecuentemente inducen errores significativos, los especialistas se
inclinan por el uso de los equipos para ensayos no destructivos, dado
que generan cargas similares a las que aplican los vehículos pesados.
En el campo de los pavimentos se han encontrado diferentes
ecuaciones de correlación o regresión, relacionando deflexiones bajo
cargas más ligeras y las obtenidas con equipos que aplican cargas
más pesadas. Es importante destacar que el uso de tales
correlaciones debe hacerse con cuidado, pues los datos a partir de los
cuales se desarrollaron tales correlaciones, normalmente muestran
una gran dispersión, lo que hace posible incurrir en errores
significativos. Por otro lado, las correlaciones logradas a partir de un
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERfA
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL DEFLECTÓMETRO DE IMPACTO CAPITULO//
tipo de estructura de pavimento, no necesariamente se cumplen para
diferentes tipos de pavimentos. Aún en la misma estructura de
pavimento es factible encontrar variaciones considerables entre
correlaciones encontradas por diferentes organismos, lo anterior suele
asociarse a diferencias desde el proceso de construcción, condiciones
ambientales, temperaturas, etc.
2.2.2. Temperatura.
La temperatura y la humedad son dos condiciones climáticas que
afectan la magnitud de las deflexiones. En los pavimentos asfálticos,
las altas temperaturas producen el reblandecimiento de la carpeta
asfáltica e incrementan las deflexiones. En los de concreto hidráulico,
la temperatura en forma de cambios globales del gradiente térmico
representa �na influencia muy importante en las deflexiones medidas
cerca de las juntas o grietas. Las temperaturas altas provocan
expansión en las losas, y por ende un acercamiento entre ellas; así, se
incrementa la eficiencia
pe
la transferencia de carga, y por
consiguiente las deflexiones son menores.
El alabeo de las losas, debido a los gradientes de temperatura suele
causar variaciones importantes en las deflexiones medidas,
especialmente si se evalúan en la noche o en la mañana, cuando la
cara superior de la losa está más fría que la inferior, ya que generarán
deflexiones mayores en las esquinas y en las orillas que las que se
realizan por la tarde, cuando la cara superior de la losa está mucho
más caliente que la inferior.
La época del año ejerce una influencia muy significativa en las
mediciones de la magnitud de las deflexiones. En regiones frías se
pueden diferenciar cuatro periodos diferentes: El de congelamiento,
que se presenta en invierno, provoca que el pavimento esté más
rígido. El de primavera, o sea cuando se presenta el deshielo y existe
agua libre en la estructura del pavimento, lo cual incrementa
considerablemente la magnitud de las deflexiones medidas. El periodo
de incremento rápido de la rigidez es que se presenta a principios de
verano, cuando el exceso de agua libre disminuye en la estructura del
pavimento y la deflexión se ve disminuida de manera considerable.
Evaluación del Comportamiento Estructural de Pavimento Flexible a través del tiempo, utilizando Deflectómetro de Impacto (HWD).
CAPITULO// DEFLECTÓMETRO DE IMPACTO
Por su parte, la rigidez aumenta, aunque más lentamente, a finales de
verano y la época de otoño cuando los niveles de las deflexiones se
reducen en función del decremento del agua libre en el sistema de
pavimento.
En regiones que no experimentan congelamiento ni deshielo, las
deflexiones
generalmente presentan
una
curva senoidal,
correspondiendo la máxima deflexión en la época de lluvias, donde el
contenido de agua libre es mayor en la estructura del pavimento. En
regiones secas, el periodo de deflexión máxima puede ser en el
verano, cuando la superficie del asfalto se reblandece debido a la
intensa radiación solar.
Para comparar e interpretar las mediciones de la deflexión deben
considerarse tanto la hora del día como la época del año en que se
realizan. Generalmente, las deflexiones se correlacionan con una
temperatura estándar, por ejemplo, 21
º
para un periodo de
condiciones críticas, basado en procedimientos desarrollados
localmente.
2.2.3. Condición del Pavimento
Es evidente que las condiciones en que se encuentre el pavimento
influyen en la magnitud de las deflexiones medidas. Para pavimentos
asfálticos, las deflexiones obtenidas en áreas con agrietamientos
serán mayores que las que se consigan en áreas libres de deterioros.
En los de concreto hidráulico, las oquedades bajo las losas de
concreto provocarán incrementos en las deflexiones; a su vez, la
ausencia de deterioros de los dispositivos de transferencia de carga
afectará a la deflexión medida en ambos lados de las juntas. Las
deflexiones obtenidas cerca de una alcantarilla suelen ser mucho
mayores; y para secciones en corte y en balcón se presentan
diferencias considerables en las deflexiones. Es importante considerar
tales condiciones cuando se obtienen deflexiones en un tramo
carretero, y más aún cuando se seleccionan las zonas de evaluación.
Evaluación del Comportamiento Estructural de Pavimento Rexib/e a través del tiempo, utilizando Deffectómetro de Impacto (HWD).
Bach. Marln Vásquez, Michel James
22
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA
FACUL TAO DE INGENIERIA CIVIL
DEFLECTÓMETRO DE IMPACTO
CAPITULO 11
2.3. PROCEDIMIENTO PARA DETERMINAR DEFLEXIONES EN CAMPO
a)
Coloque el Deflectómetro de impacto y la placa de carga sobre el
punto que se desee probar. El lugar de prueba debe estar libre, en lo
posible, de gravas, gravillas y escombros para asegurar que la placa
quede apoyada completamente. Las superficies de grava o suelo
tienen que estar lo más niveladas posible, y remover todo el material
suelto para asegurar que la placa de carga haga contacto perfecto con
la superficie del pavimento que se pretende evaluar.
b)
Mida la temperatura ambiente, superficie y la carpeta asfáltica. Si la
prueba se desarrolla por un periodo largo de tiempo, tome
temperaturas del pavimento cada hora para establecer una correlación
directa entre la temperatura ambiente y la de la superficie del
pavimento.
e) Registre la siguiente información para cada pavimento evaluado:
nombre del operador; fecha y hora; factores de calibración; inicio y fin
de la estación o localización física del tramo evaluado; localización de
cortes o terraplenes; ubicación de alcantarillas, puentes y otras
características de control vertical; límites y extensión de los deterioros
superficiales; condiciones ambientales, y descripción del tipo de
pavimento.
d)
Inicie el programa de adquisición de datos, e introduzca la información
que requiera la configuración del equipo de deflexión al momento del
ensaye. La configuración del equipo se almacena en un archivo de
salida, y constituye un insumo para el programa de análisis. Esta
información, normalmente incluye el diámetro de la placa de carga,
número y posición de los transductores de deflexión y la orientación de
los transductores de deflexión con respecto a la placa de carga.
Seleccione el formato de archivo de datos adecuado; existen
diferentes formatos.
e)
Baje la placa de carga y los transductores para asegurarse de que se
encuentran en una superficie estable y firme.
f)
Levante el dispositivo generador de impacto a la altura deseada, y
deje caer el peso. Registre la deflexión máxima de la superficie y la
carga máxima.
Evaluación del Comportamiento Estrudural de Pavimento Rexible a través del tiempo, utilizando Deflectómetro de Impacto (HWD).
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA
FACUL TAO DE INGENIERIA CIVIL DEFLECTÓMETRO DE IMPACTO CAPITULOII
g) Ejecute como mínimo tres secuencias de carga (c1, c2 y c3), y
compare los resultados. Los ensayos adicionales se pueden hacer con
la misma o diferente carga.
2.4. CORRECCIÓN DE LAS DEFLEXIONES TOMADAS EN EL ENSAYO CON
EL DEFLECTÓMETRO DE IMPACTO.
La temperatura como factor climático y ambiental es un agente externo de
gran influencia en los análisis de deflexión, el cual afecta directamente la
rigidez de la carpeta asfáltica, cuyas propiedades visco elásticas son
dependientes de esta variación.
Debido a esta variabilidad, se hace necesario realizar una corrección para
conocer la temperatura efectiva del pavimento al momento del ensayo.
Algunos estudios sugieren que la temperatura puede ser tomada al tercio o a
la mitad de la capa bituminosa, concordando en que no es aconsejable
emplear la temperatura tomada sobre la superficie de la carpeta. Esta
medición se puede realizar a través de orificios construidos directamente
sobre el pavimento o a partir de estimaciones basadas en correlaciones con
datos ambientales.
Dentro de las correlaciones más empleadas se encuentra la del instituto del
asfalto, presentada a continuación.
1
34
Mp = Ma* (1+--)---+ 6
Z+4 Z+4
Mp = Temperatura media de la mezcla (
ºF).
Ma = Temperatura media ponderada del aire (
ºF).
Z
= Profundidad a la cual se estima la temperatura de la mezcla (in). Por
recomendación del Instituto del Asfalto, la profundidad z se debe tomar en el
punto medio de la capa.
Se recomienda para obtener datos confiables no hacer medición de
deflexiones con temperaturas de pavimento inferiores a 2
ºC o superiores a
40
ºC.
Pavimentos flexibles que posean capas asfálticas inferiores a 5 cm no tendrán
la necesidad de realizar correcciones por temperatura; pero aquellos con
espesores superiores deberán aplicar un coeficiente de corrección (Ct), el
Evaluación del Comportamiento Estructural de Pavimento Flexible a través del tiempo, utilizando Deflectómetro de Impacto (HWD).
CAPITULO 11
DEFLECTÓMETRO DE IMPACTO
cual puede ser calculado por medio de la siguiente expresión recomendada
por AASHTO:
1
Ct=---1 - 0.008 *
h
1* (20 - t)
Dónde:
Ct
=
Coeficiente de corrección por temperatura.
h1
= Espesor de la carpeta asfáltica (cm).
t
=
Temperatura de la carpeta asfáltica al momento del ensayo (
ºC).
Por efectos de temperatura las deflexiones se estandarizan a una
temperatura de 20
ºC, tal como lo recomienda la guía AASHTO.
En cuanto a la corrección por carga, entendiéndose este término como un
factor para llevar las mediciones del impacto a uno estándar, se tiene la
siguiente ecuación
como
factor de corrección recomendada por el AASHTO:
Dónde:
/J..
=
/J..
*
(
P
r)
Ir _ 1
p
L'.lir
=
Deflexión corregida a la carga de referencia en el sensor
i.
fü
=
Deflexión medida con el Deflectómetro de impacto en el sensor i.
Pr
=
Carga de referencia.
P
=
Carga actuante en el ensayo con el Deflectómetro.
La carga de referencia es la carga de diseño, teóricamente se debería de
corregir todas las mediciones, en todos los sensores; esto no lo comparten
muchos investigadores, incluido la guía de diseño AASHTO, sino,
recomiendan la corrección por factor de carga solo en los casos de
comparación, debido a la necesidad de una carga de referencia, y realizar
todo el retrocálculo con las cargas medidas en campo.
Evaluación del Comportamiento Estructural de Pavimento Rexible a través del tiempo, utilizando Deflectómetro de Impacto (HWD). 25
Bach. Mar ln Vásquez, Michel James
CAPITULO fil TEOR[A MECANISTICO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES
CAPÍTULO III TEORÍA MECANÍSTICO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES.
3.1. ANTECEDENTES.
Desde principios de los años sesenta el llamado método mecanísticos ha ido
ganando popularidad entre los ingenieros de pavimento. Este método utiliza
las propiedades físicas fundamentales y un modelo teórico para predecir las
tensiones, deformaciones y deflexiones, es decir, la respuesta del
pavimento, causadas por una carga en el pavimento, ver la Figura 16. Si los
supuestos básicos con respecto a los materiales y las condiciones de
contorno son correctos, este método es válido en cualquier lugar y se puede
utilizar para predecir correctamente la respuesta para cualquier combinación
de cargas, efectos climáticos y materiales.
Figura 16. Respuesta del Pavimento (Tensión, Deformación y Deflexión).
o
FUENTE: help Software Elmod 6.
Figura 17. Desempeño del Pavimento (Grietas, Ahuellamiento y
Rugosidad).
FUENTE: help Software Elmod 6.
Evafuadón del Comportamiento Estructural de Pavimento Flexible a través del tiempo, utilizando Deffectómetro de Impacto (HWD). 26
Bach. Marln Vásquez, Miche/ James
CAP (TUL0/11
TEOR(A MECAN(STICO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES
3.2. TEORÍA DE MÉTODO MECANÍSTICO EN PAVIMENTO FLEXIBLE.
La teoría de los métodos mecanísticos aplicado a pavimentos es amplia,
pero solo vamos a ver los siguientes métodos mecanísticos.
•
Método de Boussinesq.
•
Método de espesor equivalente.
3.2.1. Método de Boussinesq.
Las ecuaciones para el cálculo de tensiones, deformaciones
y
desplazamientos en un suelo homogéneo, isotrópico, espacio lineal
elástico semi-infinito, con ·E· el módulo y ·v la relación de Poisson,
cargado por un punto de carga, P, perpendicular a la superficie, se les
dio las ecuaciones de Boussinesq en 1885, para una carga puntual en
coordenadas polares como se muestra en la Figura 18.
Figura 18. Las ecuaciones de Boussinesq utilizando ecuaciones polares.
l·
FUENTE: help Software Elmod 6.
Esfuerzo normal.
3P
3u =--cos- (}
z
2nR
2u
=
___!_[3cosfJsin
20-
l -
2 v
]
7
2nR
21 + cosfJ
(1- 2v)P
[
(}
1
]
ut =
2nR
2
-
cos +
1 + cosfJ
3P
a-
1=--cos0
2nR
2(1+
v)P
(}
p
=
2cos
3nR
Evaluadón del Comportamiento Estructural de Pavimento Flexible a través del tiempo, utilizando Deflectómetro de Impacto (HWD). 27 Bach. Marúi Vásquez, Michel James
CAPITULO fil TEORIA MECANISTICO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES
Esfuerzo cortante.
Deformación normal
�rz
=
2trR
3
p
2
corJ 0sin 0
�rt =�
tz=0
&z
=
(l
+
�
)P
[3cos3 0
-
2 vcos0]
2trR E
(l
+v
)P
[
3
(
)
1-2v
]
&;.
=
2
-
3 cos
0
+ 3
-
2
v
cos0-2trR E
1 + cos0
(1+ v)P
[
0 1-2v]
st
=
2trR
2
E
-
cos
+
1
+
cos0
(1
+
v)P
&
v=
�---,,--'--
(1
-
2 v) cos0
trR
2
E
Desplazamientos.
d
z
=
(l
+
v
)P
[2
(l. -
v)
+
cos2
0]
2trRE
d
r= -'---�
(1+
v)P
[
COS Slll
0
.
0
-
(1-2v)sin0]
2trRE
1
+
cos0
(3.1)
Es interesante notar que el esfuerzo vertical y la mayor tensión principal
son independientes de los parámetros elásticos. El módulo no influye en
cualquiera de las tensiones.
En la línea central de la carga, las ecuaciones para esfuerzo vertical, la
deformación y el desplazamiento se reducen a:
3P
u =--
z
27rZ
2_ (1+
v)(3-2v)P
&z
-
2
2m
E
d = (1+ v)(3-2v)P
z
2JrZE
(3.2)
Estas ecuaciones revelan una diferencia importante entre la variación
de profundidad vs la tensión y deformación, por una parte, y el
Evaluación del Comportamiento Estrudura/ de Pavimento Flexible a través del tiempo, utilizando Deflectómetro de Impacto (HWD). 28
Bach. Marln Vásquez, Michel James
CAPITULO 111
TEOR{A MECAN{STICO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES
desplazamiento en el otro. Cuando el desplazamiento es inversamente
proporcional a la profundidad, la tensión y deformación son
inversamente proporcionales al cuadrado de la profundidad.
Una de las consecuencias de esta diferencia es que la deflexión de
superficie en un sistema de capas es poco correlacionada con la tensión
y deformación en las capas individuales. La deflexión de la superficie
es, por lo tanto, un pobre sustituto de tensiones y deformaciones. Como
deterioro del pavimento se relaciona con los esfuerzos o tensiones en
las capas individuales, es lamentable que la deflexión de superficie siga
siendo ampliamente utilizada para la evaluación de la capacidad
portante.
La deflexión en la superficie del medio-espacio es:
(3.3)
O inversamente proporcional a la distancia desde la carga.
Figura 19. Deflexión vs Distancia desde la fuerza central
o
j -1 <() ,r,r,i CO�i
o
---
�
-Ul)J
.,.1
o
1500 '"Ji l\c ',e r, 1t't1 '" r n m
FUENTE: help Software Elmod 6.
o
Las ecuaciones de Boussinesq para una carga puntual son bastante
útiles. La distancia desde la carga no necesita ser muy grande antes de
una carga puntual produce casi la misma respuesta que una carga
distribuida sobre un área. En la Figura 19 la deflexión de superficie en
un espacio medio semi-infinito calculado utilizando ELSYM5 se compara
con la desviación de la ecuación (3.3). Módulo y la relación de Poisson
Evaluación del Comportamiento Estructural de Pavimento Flexible a través del tiempo, utilizando Deffectómetro de Impacto (HWD). 29 Bach. Marfn Vásquez, Michel James
CAPÍTULO///
TEORÍA MECANÍSTICO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES
fueron de 100 MPa y 0,35, respectivamente. La carga fue de 10 KN
distribuida uniformemente sobre un área circular con un radio de 150
mm. Ya a una distancia de sólo un diámetro, la deflexión producida por
una carga de punto está bastante cerca de la deflexión correcta.
Existen soluciones de forma cerrada para la línea central de una carga
circular que está bien distribuida uniformemente (3,4) o transmite a
través de una placa perfectamente rígido (3.7). Para la carga
uniformemente distribuida se dan algunas ecuaciones a continuación:
l t- 21• <J' =U =U
---, I .,:.
2
1
�
Vl
d
_
,.
!l
•
l
'
'fT
o
ªI
+
(
1
-
2
·
•
E
F1J
,
'(1
·
-:. _:. r
·)
J.4)
J
La deformación horizontal también se puede calcular usando la ley de
Hooke:
1-
V
-(u
-
E&)- vu
lv z z z
&;.
= &t = _____ E ___ _
(3.5)
Si la carga se transfiere a través de una placa circular completamente
rígida, de manera que la deflexión de la superficie, en todos los puntos
Evaluación del Comportamiento Estructural de Pavimento Flexible a través del tiempo, utilizando Deffectómetro de I mpacto
(HWD).
30
Bach. Marfn Vásquez, M iche/ James
CAPITULO/// TEOR{A MECAN{STICO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES
de la placa, es la misma, entonces la distribución de la tensión teórica
en un medio elástico será:
ªº
ª
a (r)
0- --;:== (3 6)
-2-va
/2
-
r
2'
Donde ··cro .. es el valor medio de la tensión, ··a·· es el radio de la placa y
··( es la distancia desde el centro hasta el punto en el que se determina
la tensión superficial. Por esta condición de carga una solución de forma
compacta se puede encontrar líneas abajo
. (3.
Los esfuerzos horizontales y las deformaciones se pueden calcular
usando la ley de Hooke.
3.2.2. Método de Espesores Equivalentes
En 1943 Burmister presentó una solución a las ecuaciones diferenciales
de la teoría de la elasticidad, por las condiciones de contorno de un
sistema de dos capas. Desde entonces un gran número de programas
de ordenador se han desarrollado para el cálculo de tensiones,
deformaciones y deflexiones en sistemas elásticos en capas. Algunos
de los más conocidos son los programas desarrollados por Shell (Bistro
y bisar), Chevron (Elsym5), Vías Navegables Experiment Station
(WES5), el Laboratorio central de Puentes y Caminos (Alize 111) y la
Evaluación del Comportamiento Estructural de Pavimento Flexible a través del tiempo, utilizando Deflecttmetro de Impacto {HWD). 31
Bach. Maríl Vásquez, Michel James
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA
FACUL TAO DE INGENIER{A CIVIL TEOR{A MECANfSTICO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES CAPfTUL0/11
Comunidad Organización Científica e Industrial (Circly). Este último
incluso aceptar materiales anisotrópicos.
Todos estos programas están basados en materiales elásticos lineales.
La mayoría de los materiales del pavimento, sin embargo, son elástico
no lineal. Para dar cabida a las características no lineales, se han
desarrollado una serie de programas de elementos finitos en los años
sesenta. Programas de elementos finitos modernos aceptarán un
número de modelos de materiales, incorporando elástico, plástico y
tensiones
viscosos.
Algunos
programas
pueden
manejar
discontinuidades y cargas dinámicas. El inconveniente es que pueden
ser necesarios muchos parámetros para describir las complejas
relaciones de tensión-deformación de los diferentes materiales,
parámetros que pueden ser muy difíciles de determinar en la práctica.
También se requiere una considerable capacidad de la computadora.
El método de los elementos finitos todavía asume las tensiones sean
compatibles, a excepción de los elementos especiales que pueden tener
en cuenta a las discontinuidades. Es dudoso si este se puede utilizar
para describir correctamente materiales en partículas, donde las
tensiones son sustituidas por las fuerzas de contacto entre las partículas
y donde la mayor parte de la deformación se deriva de deslizamiento y
de rodadura de partículas. Describir materiales particulados Cundall
(1978) desarrolló el método de los elementos distintos (o discreto). Este
método pone una tensión aún más duro en los ordenadores, pero
permite la descripción de las deformaciones elásticas y plásticas en el
mismo proceso.
Incluso cuando un modelo, con el tiempo, se ha desarrollado que puede
predecir correctamente las tensiones, deformaciones elásticas y
plásticas, y el fracaso en los materiales del pavimento, todavía habrá
una necesidad de un modelo simplificado para los Sistemas de Gestión
de
-
Pavimentos (PMS). En PMS el deterioro de un gran número de
tramos de carretera, más de 20 años o más, con un gran número de
diferentes estrategias de mantenimiento, debe ser calculada. Con el
enfoque analítico-empírico, tensiones y las deformaciones se deben
Evaluación del Comportamiento Estructural de Pavimento Flexible a través del tiempo, utilizando Deflectómetro de Impacto (HWD). 32
CAPÍTULO II/
TEORÍA MECANÍSTICO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES
calcular millones de veces, y esto sólo es posible con un algoritmo muy
rápido. Esto es lo que el método de Odemark (1949) ofrece.
El método de Odemark se basa en la suposición de que las presiones y
tensiones por debajo de una capa dependen de la rigidez de sólo esa
capa. Si el grosor, el módulo y la proporción de una capa de Poisson se
cambian, pero la rigidez permanece inalterada, los esfuerzos y las
tensiones por debajo de la capa también deben permanecer
(relativamente) sin cambios. La rigidez de una capa es proporcional a:
(1)
Donde h es el espesor de la capa.
La transformación se muestra en la figura 20 debe, por lo tanto, no
influir en las tensiones o esfuerzos en la capa 2, siempre que:
Donde ··he·· es el espesor "equivalente" de capas (el método también es
llamado el "método de espesores equivalentes" o MET).
Figura 20. La transfonnación de Odemark de un sistema de capas.
FUENTE: help Software Elmod 6.
El sistema transformado en la Figura 20 es un espacio medio semi
infinito en el que se pueden utilizar las ecuaciones de Boussinesq, pero
sólo para tensiones, deformaciones y deflexiones por debajo de la
interfaz.
La suposición de Odemark no es matemáticamente correcta. Si la
Evaluadón del Comportamiento Estructural de Pavimento Flexible a través del tiempo, utilizando Deffectómetro de
Impacto (HWD).
33
Bach
.
Marln Vásquez, Miche/ James
CAPITULO 111
TEORIA MECANISTICO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES
respuesta de los pavimentos reales es más cercana a la predicha
utilizando la teoría de la elasticidad o utilizando el método de Odemark
aún está por verse. Si es deseable obtener resultados cercanos a la
teoría de la elasticidad, cuando se utiliza el método de Odemark, un
factor de corrección, f, puede ser introducido. Si, además, el coeficiente
de Poisson se supone que es la misma para todas las capas (y en la
práctica la relación de Poisson rara vez se conoce con cualquier grado
de precisión y puede ser mayor que 0,5 para algunas capas), la
transformación se puede escribir como:
Razonablemente buen acuerdo con la teoría de la elasticidad se obtiene
con un factor de corrección de 0,8, a excepción de la primera interfaz
donde se utiliza un factor de 0,9 para un sistema de dos capas y 1,0
para un sistema multi-capa. Si el espesor de la capa 1,
..
h1
..
,
es menor
que el radio de la zona de carga, a, entonces un factor de 1, 1 (a / h1) "
0.3 traerá la deformación por tracción horizontal en la parte inferior de la
capa uno, más cerca a la obtenida con la teoría de la elasticidad.
Si los valores de medición de tensiones y deformaciones, en
pavimentos reales, están disponibles, éstos deben utilizarse para
"calibrar" el método de Odemark, en lugar de los valores de la teoría de
la
elasticidad.
Para un sistema multi-capa el espesor equivalente de las n-1 capas
superiores con respecto al módulo de la capa n, puede calcularse a
partir de:
Donde esta última versión es una ecuación es adecuado para fines de
programación. Capas debajo de la capa n se supone que tienen el
módulo ·En·· en el sistema transformado.
Evaluación del Comportwrwento Estructural de Pavimento Flexible a través del tiempo, utilizando Deflectómetro de Impacto {HWD). 34 Bach. Marin Vásquez, Miche/ James
CAPITULO
111
TEORIA MECANISTICO DE PAVIMENTOS FLEXIBLESSin fricción en las interfaces del espesor equivalente se puede encontrar
en:
h.,n
=
f
n-1
h,
3
'
( E
-
'
.
J
, .. 1
E
n5)
Las deflexiones se calculan como la suma de la compresión de las
capas más la desviación del subsuelo. La compresión de una capa
individual se encuentra como la diferencia entre la deformación en la
parte superior y la parte inferior de la capa en el sistema transformado.
Para la capa superior del sistema transformado es un medio espacio
con módulo de E1.
Con los factores de corrección indicados anteriormente el método de
Odemark darán respuestas razonablemente cerca de la teoría de la
elasticidad, siempre que:
· Módulos están disminuyendo con la profundidad (Ei / Ei +1 > 2), y
·
El espesor equivalente de cada capa es mayor que el radio de la zona
cargada.
Si este no es el caso (o si se desea una mejor concordancia) los
factores de corrección se deben cambiar y posiblemente expresan como
funciones de espesores y módulos.
Evaluación del Comportamiento Estructural de Pavimento Flexible a través del tiempo, utilizando Deflectómetro de Impacto (HWD). 35 Bach. Marln Vásquez, Michel James
